CN113259936B - 一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法及系统 - Google Patents

一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法及系统 Download PDF

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CN113259936B CN202110420939.3A CN202110420939A CN113259936B CN 113259936 B CN113259936 B CN 113259936B CN 202110420939 A CN202110420939 A CN 202110420939A CN 113259936 B CN113259936 B CN 113259936B
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Abstract

本发明提供一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法及系统，在发射端利用哈希函数生成载体信号的数字摘要，用轻量加密算法加密摘要，再利用密钥作为扩频码扩频该摘要生成水印信号，然后通过调制和差分星座图移位往载体符号中嵌入水印符号再发送出去；接收端接收到含有水印的复合信号之后解调出载体信号和加密摘要，然后分别通过对恢复出的载体信号和解密解调出的加密摘要得到两份摘要，比较两份摘要是否相同来判断接入终端身份的合法性和发送信息的完整性。本方案不仅能够鉴别信号来源身份的合法性，同时能对接收信息的完整性进行判断，而恶意攻击者难以获取水印中的鉴权信息，提高了水印可靠性的同时没有引入对载体信号的干扰。

Description

一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信和信息安全技术领域，特别是涉及一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法及系统。
背景技术
水印作为一种数字信息保护手段被定义为向被保护的对象中添加一些特定信息，以达到真伪鉴别、版权保护等功能。信号水印与传统水印的思想一致，在原始信号中嵌入一段水印序列来鉴别信号是否合法。
在信号水印的研究工作中，[1]H.S.Malvar and D.A.F.Florencio,“Improvedspread spectrum:a new modulation technique for robust watermarking,”IEEETransactions on Signal Processing,vol.51,no.4,Apr 2003,pp.898–905.中利用扩频技术将水印信息嵌入到要发送的原始信号中，接收端通过相关运算得到水印信息，但是这种方法会对原始信号产生干扰，同时频谱效率降低。后来，基于星座图偏移的水印思想被提了出来，[2]Jiang T,Zeng H,Yan Q,et al.On the Limitation of EmbeddingCryptographic Signature for Primary Transmitter Authentication[J].IEEEWireless Communications Letters,2012,1(4):324-327.中提出了一种星座图旋转(Constellation Rotation,CR)的方案,发送端将标准的QPSK星座图旋转θ角度，用来表示额外的1bit信息；[3]Verma G,Yu P,Sadler B M.Physical Layer Authentication viaFingerprint Embedding Using Software Defined Radios[J].IEEE Access,2015,3:81-88.提出星座图移位(Constellation Shifting,CS)的水印方案，在QPSK调制符号的基础上，以星座符号点为原点再沿着坐标轴的四个方向偏移表示两个比特的信息；[4]Xu Z,Yuan W.Watermark BER and Channel Capacity Analysis for QPSK Based RFWatermarking by Constellation Dithering in AWGN Channel[J].IEEE SignalProcessing Letters,2017,24(7):1068-1072.提出了改进的星座图移位(ImprovedConstellation Shifting,ICS)方案对子星座图对应的比特信息进行了重新排列，保证当载体符号在被错误地判决到相邻象限时，水印信息的解调不会出错，提高了水印信息传输的可靠性，但是[3]和[4]的方案仍然会对原始的载体信号造成干扰。[5]H.Huang andL.Zhang,“Reliable and Secure Constellation Shifting Aided Differential RadioFrequency Watermark Design for NB-IoT Systems,”IEEE Commun.Lett.,vol.23,no.12,pp.2262–2265,2019.提出了差分星座图移位(Differential ConstellationShifting,DCS)的射频水印的方案，结合重复传输的机制，以差分的方式将水印符号嵌入在相邻的重复符号之间。虽然DCS的方案通过差分的形式消除了载体信号和水印信号之间的干扰，但是水印信号的安全性不足，容易被非法攻击者获取。
发明内容
本发明的目的是解决现有的射频水印方案存在安全性不足，容易被非法攻击者获取的技术缺陷，提供一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，包括发射端调制过程和接收端解调过程，
所述发射机调制过程包括以下步骤：
A1：利用哈希函数生成载体信号的数字摘要；
A2：用轻量加密算法加密数字摘要，并利用密钥作为扩频码扩频加密后的数字摘要，生成水印信号；
A3：通过调制和差分星座图移位往载体信号中嵌入水印信号再进行发送；
所述接收端解调过程包括以下步骤：
B1：接收含有水印信号的复合信号之后解调出载体信号和水印信号；
B2：对恢复出的水印信号进行解调和解密操作，得到解密的第一数字摘要估计；
B3：对恢复出的载体信号进行解调，得到载体信号比特的估计，在做哈希运算得到第二数字摘要估计；
B4：比较第一数字摘要估计、第二数字摘要估计的异同对发送身份的合法性和发送信息的完整性进行判断，若两次摘要估计相同，则发送信息完整未受到篡改；否则，则认为发送端非法，丢弃接收到的信息。
其中，在所述步骤A1中，令bx表示用户数据比特序列，由于需要携带水印信息所以也叫载体比特序列，即载体信号；使用哈希函数对载体信号bx做哈希运算生成载体信号的数字摘要，具体表示为：
bg＝g(bx)
其中，g(·)表示哈希算法。
其中，在所述步骤A2中对bg进行一次轻量加密；具体过程为：
若p表示加密解密的密钥，长度为2l，fk(x)表示二进制加法运算，则表达式为
Figure BDA0003027814640000031
其中，k，x表示长度为x的序列，即k＝[k1，k2，...，kn]，x＝[x1，x2，...，xn]，
Figure BDA0003027814640000032
表示模二加法，则加密过程表示为：
Encryption：be＝Ep(bg)＝fg(p)(bg)
其中g(p)表示对p做哈希运算的输出结果；至此，得到加密后的数字摘要be。
其中，在所述步骤A2中，利用密钥作为扩频码扩频加密后的数字摘要be生成水印信号bw过程具体为：
先将单极性二进制比特序列p、be转化为双极性二进制序列q、bd，其中序列中的元素p，be∈{0，1}，q，bd∈{-1，+1}；则序列扩频的过程表示为：
Figure BDA0003027814640000033
其中
Figure BDA0003027814640000034
表示克罗内克积；再将bj转化为单极性二进制比特bw，即得到嵌入的水印序列。
其中，在所述步骤A3中，载体信号bx和隐藏有载体摘要信号的水印信号bw均采用QPSK调制，得到载体符号向量x和水印符号向量w，长度为l，即
Figure BDA0003027814640000035
调制之后，载体符号向量x和水印符号向量w重复m次，分别构建调制符号矩阵X和W，即X和W的每一列都是x和w，
Figure BDA0003027814640000036
然后利用差分星座图移位的方法将水印符号矩阵嵌入载体符号矩阵之中，令嵌入了水印的信息符号矩阵为S，则得到：
Figure BDA0003027814640000037
其中sr，c，xr，c，wr，c分别表示矩阵S，X，W的第r行，第c列位置上的元素；
Figure BDA0003027814640000041
α是水印符号能量占嵌入水印符号总能量的比值，表示嵌入强度，通常为了隐藏水印信息同时减少水印对载体能量的分摊，约定α＜0.5；
最后，嵌入了水印的信息符号S在经过逆快速傅里叶变换和添加循环前缀后，发送端将其映射到相应的无线帧中发送出去。
其中，在所述步骤B1中，当接收端接收含有水印信号的复合信号后，先去除循环前缀，然后进行快速傅里叶变换得到信息符号矩阵Y；若发送过程中的无线信道的频域响应矩阵为H，用列向量表示为H＝[h1，h2，...，hm],则Y表示为：
Y＝H·S+N
其中表示参与运算的两个矩阵按位相乘，N表示经过了无线信道之后信号附加上的高斯白噪声矩阵，
Figure BDA0003027814640000042
矩阵中的元素服从均值为0，方差为2σ2的复高斯分布，即
Figure BDA0003027814640000043
之后，再对Y做频域均衡得到S矩阵的估计
Figure BDA0003027814640000044
假设获得了理想的信道估计，则
Figure BDA0003027814640000045
表示为
Figure BDA0003027814640000046
其中/表示矩阵按位除法；接着，进行差分水印提取，合并重复传输的符号，提取载体信号和水印信号的估计,分别表示为
Figure BDA0003027814640000047
和
Figure BDA0003027814640000048
差分水印提取和合并重复符号的过程表示为：
Figure BDA0003027814640000049
其中
Figure BDA00030278146400000410
表示矩阵
Figure BDA00030278146400000411
第i列的列向量，k＝1，2，...，m/2。
其中，在所述步骤B2中，对恢复出的水印信号
Figure BDA00030278146400000412
进行联合QPSK解调得到加密摘要信息的估计
Figure BDA00030278146400000413
然后再进行解密得到第一数字摘要估计
Figure BDA00030278146400000414
具体过程为：
联合QPSK解调：密钥p先做单双极性转换由单极性二进制比特序列转换为双极性二进制序列q，然后再做串并转换输出两列序列分别与恢复出来的水印信号的实部和虚部相乘，再求和，具体表示为：
Figure BDA00030278146400000415
其中，wi表示w中的第i个元素；之后对求和的结果做最大似然判决，若求和的结果大于0，则提取的一比特
Figure BDA0003027814640000051
反之，若求和的结果小于0，则
Figure BDA0003027814640000052
联合QPSK解调得到
Figure BDA0003027814640000053
之后，对其进行解密得到第一数字摘要估计
Figure BDA0003027814640000054
解密的过程表示为：
Decryption：
Figure BDA0003027814640000055
其中，f-1表示f的逆运算；又因为f为模二加法运算，所以f的逆运算f-1只需要对密文
Figure BDA0003027814640000056
再模二加一次序列g(p),即
Figure BDA0003027814640000057
其中，在所述步骤B3中，对恢复出的载体信号
Figure BDA0003027814640000058
做QPSK解调得到载体信息比特的估计
Figure BDA0003027814640000059
再对
Figure BDA00030278146400000510
做哈希运算得到第二数字摘要估计
Figure BDA00030278146400000511
其中，所述载体信号理论BER推导为：
Figure BDA00030278146400000512
其中，Px表示载体比特的错误概率，γ表示信噪比SNR；而水印信号的理论BER为：
Figure BDA00030278146400000513
其中Pw表示水印比特的错误概率。
本方案还提供一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权系统，包括发射端和接收端；其中：
所述发射端执行如步骤A1-步骤A3所述的操作；
所述接收端执行如步骤B1-步骤B4所述的操作。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法与系统，通过哈希函数生成用于鉴权的摘要信息，然后用轻量加密和扩频的方法保护和掩盖鉴权信息，系统不仅能够鉴别信号来源身份的合法性，同时能对接收信息的完整性进行判断，而恶意攻击者难以获取水印中的鉴权信息；接收机通过对水印符号进行联合QPSK解调，避免了多次判决带来的误码率性能损失；在差分水印的基础上对水印序列进行扩频，提高了水印可靠性的同时没有引入对载体信号的干扰。
附图说明
图1为本发明所述方法流程示意图；
图2为本发明所述系统结构图；
图3为一实施例中联合QPSK解调结构图；
图4为一实施例中AWGN信道下载体信号BER性能对比图；
图5为一实施例中AWGN信道下水印信号BER性能对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，包括发射端调制过程和接收端解调过程，
所述发射机调制过程包括以下步骤：
A1：利用哈希函数生成载体信号的数字摘要；
A2：用轻量加密算法加密数字摘要，并利用密钥作为扩频码扩频加密后的数字摘要，生成水印信号；
A3：通过调制和差分星座图移位往载体信号中嵌入水印信号再进行发送；
所述接收端解调过程包括以下步骤：
B1：接收含有水印信号的复合信号之后解调出载体信号和水印信号；
B2：对恢复出的水印信号进行解调和解密操作，得到解密的第一数字摘要估计；
B3：对恢复出的载体信号进行解调，得到载体信号比特的估计，在做哈希运算得到第二数字摘要估计；
B4：比较第一数字摘要估计、第二数字摘要估计的异同对发送身份的合法性和发送信息的完整性进行判断，若两次摘要估计相同，则发送信息完整未受到篡改；否则，则认为发送端非法，丢弃接收到的信息。
更具体的，如图2所示，本发明还提供一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权系统，包括发射端和接收端；其中：
所述发射端执行如步骤A1-步骤A3所述的操作；
所述接收端执行如步骤B1-步骤B4所述的操作。
在具体实施过程中，本方案通过哈希函数生成用于鉴权的摘要信息，然后用轻量加密和扩频的方法保护和掩盖鉴权信息，系统不仅能够鉴别信号来源身份的合法性，同时能对接收信息的完整性进行判断，而恶意攻击者难以获取水印中的鉴权信息；接收机通过对水印符号进行联合QPSK解调，避免了多次判决带来的误码率性能损失；在差分水印的基础上对水印序列进行扩频，提高了水印可靠性的同时没有引入对载体信号的干扰。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，分别从发射机和接收机两部分介绍系统的工作流程和原理。
发射机部分
如图2中所示的发射机结构，bx表示用户数据比特序列，因为要携带水印信息所以也叫载体比特。发射端对载体比特序列输入哈希函数得到载体信息的数字摘要bh，再进行一次轻量加密保护摘要信息，然后再进行扩频操作掩盖加密信息，得到与载体比特序列长度相同的水印序列bw。方案中由bx生成bw的这三步流程的详细介绍如下。
1.哈希运算
哈希函数是一类将任意长度的输入映射为固定长度的函数，函数的输出称为输入对应的哈希值或摘要。而加密哈希函数作为信息安全领域使用的哈希函数，具有单向性即生成给定哈希值的消息是不可行的，并且对输入信息做很小的更改就会大幅影响输出的结果，常用于数字签名和信息校验。使用加密哈希函数对载体比特bx做哈希运算生成载体信息的摘要，使水印不仅具有鉴权身份的功能还能够鉴别发送信息是否完整且未更改。生成摘要的过程用公式可表示为：
bg＝g(bx)
其中g(·)可以选择Message Digest 5(MD5)，Secure Hash Algorithm(SHA)等算法。
2.轻量加密
生成数字摘要bg之后，对bg进行一次轻量加密。加密算法,是一种对称密钥体制的加密算法。若p表示加密解密的密钥，长度为2l，fk(x)表示二进制加法运算，实际表达式为
Figure BDA0003027814640000071
其中k，x表示长度为n的序列，即k＝[k1，k2，...，kn]，x＝[x1，x2，...，xn]，
Figure BDA0003027814640000072
表示模二加法，那么方案中的加密过程可表示为
Encryption：be＝Ep(bg)＝fg(p)(bg)
其中g(p)表示对p做哈希运算的输出结果。
3.序列扩频
对生成的数字摘要加密之后，利用序列扩频对加密信息be进行进一步掩盖来生成水印序列bw。若先将单极性二进制比特序列p、be(序列中的元素p，be∈{0，1})转化为双极性二进制序列q、bd(q，bd∈{-1，+1})则序列扩频的过程可用公式表示为
Figure BDA0003027814640000081
其中
Figure BDA0003027814640000082
表示克罗内克积。再将bj转化为单极性二进制比特bw,即得到嵌入的水印序列。
经过哈希运算、轻量加密和序列扩频三个步骤，可以从载体比特信息bx中获取了隐藏有载体摘要信息的水印序列bw。在本文提出的方案中，用户信息和水印信息都采用QPSK调制，得到载体符号向量x和水印符号向量w,长度为l，即
Figure BDA0003027814640000083
调制之后，将载体符号向量x和水印符号向量w重复m次，分别构建调制符号矩阵X和W，即X和W的每一列都是x和w，
Figure BDA0003027814640000084
然后利用差分星座图移位的方法将水印符号矩阵嵌入载体符号矩阵之中。令嵌入了水印的信息符号矩阵为S,则得到
Figure BDA0003027814640000085
其中Sr，c,xr，c,wr，c分别表示矩阵S,X,W的第r行，第c列位置上的元素；
Figure BDA0003027814640000086
α是水印符号能量占嵌入水印符号总能量的比值，表示嵌入强度，通常为了隐藏水印信息同时减少水印对载体能量的分摊，约定α＜0.5。
然后，嵌入了水印的信息符号S在经过逆快速傅里叶变换(Inverse Fast FourierTransform,IFFT)和添加循环前缀后，由资源映射模块映射到相应的无线帧中发送出去。
接收机部分
如图2所示，发送信号通过无线信道之后被接收端接收，先去除循环前缀，然后进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)得到信息符号矩阵Y。若无线信道的频域响应矩阵为H,用列向量表示为H＝[h1，h2，...，hm],则Y可表示为
Y＝H·S+N
其中表示参与运算的两个矩阵按位相乘，N表示经过了无线信道之后信号附加上的高斯白噪声矩阵，
Figure BDA0003027814640000091
矩阵中的元素服从均值为0，方差为2σ2的复高斯分布，即
Figure BDA0003027814640000092
之后，再对Y做频域均衡得到S矩阵的估计
Figure BDA0003027814640000093
假设获得了理想的信道估计，则
Figure BDA0003027814640000094
可表示为
Figure BDA0003027814640000095
其中/表示矩阵按位除法。
接着，进行差分水印提取，合并重复传输的符号，提取载体符号和水印符号的估计，分别表示为
Figure BDA0003027814640000096
和
Figure BDA0003027814640000097
差分水印提取和合并重复符号的过程可以表示为
Figure BDA0003027814640000098
其中
Figure BDA0003027814640000099
表示矩阵
Figure BDA00030278146400000910
第i列的列向量，k＝1，2，...，m/2。
接着，分两个路径得到载体信息的摘要估计：一个路径是对恢复出来的水印符号
Figure BDA00030278146400000911
进行联合QPSK解调得到加密摘要信息的估计
Figure BDA00030278146400000912
然后再进行解密得到摘要信息的一次估计
Figure BDA00030278146400000913
联合QPSK解调的流程如图3所示，密钥p先做单双极性转换由单极性二进制比特序列转换为双极性二进制序列q，然后再做串并转换输出两列序列分别与恢复出来的水印符号的实部和虚部相乘，再求和。这个过程用公式表示如下
Figure BDA00030278146400000914
其中wi表示w中的第i个元素。之后对求和的结果做最大似然判决，若求和的结果大于0，则提取的一比特
Figure BDA00030278146400000915
反之，若求和的结果小于0，则
Figure BDA00030278146400000916
联合QPSK解调得到
Figure BDA00030278146400000917
之后，对其进行解密得到数字摘要的估计
Figure BDA00030278146400000918
解密的过程可表示为
Decryption：
Figure BDA00030278146400000919
其中，f-1表示f的逆运算。又因为f为模二加法运算，所以f的逆运算f-1只需要对密文
Figure BDA0003027814640000101
再模二加一次序列g(p),即
Figure BDA0003027814640000102
另外一个路径是对恢复出来的载体符号
Figure BDA0003027814640000103
做QPSK解调得到载体信息比特的估计
Figure BDA0003027814640000104
再对
Figure BDA0003027814640000105
做哈希运算得到摘要的另一次估计
Figure BDA0003027814640000106
即
Figure BDA0003027814640000107
最后比较
Figure BDA0003027814640000108
与
Figure BDA0003027814640000109
的异同来判断发送身份的合法性和发送信息的完整性：若两者相同认为发送端合法，发送信息完整未收到篡改；反之，则认为发送端非法，丢弃接收到的信息。
本方案载体信号理论BER可推导为
Figure BDA00030278146400001010
其中Px表示载体比特的错误概率，γ表示信噪比SNR。而水印信号的理论BER为：
Figure BDA00030278146400001011
其中Pw表示水印比特的错误概率。
实施例3
为更充分地阐述本发明所具有的有益效果，在实施例1、实施例2的基础上，结合仿真分析及结果进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。
仿真实现了本发明提出的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方案，分析和验证了方案可靠性的理论性能。仿真对比了在AWGN信道条件下本文的方案和ICS方案，DCS方案的性能结果。在仿真的实施细节中，对每个OFDM帧做16点的IFFT-FFT，其中12有效个子载波。
对于每个SNR的取值，至少仿真了105个OFDM帧。此外，在比对不同的射频水印方案时，统一设置水印嵌入强度α＝0.2,重复传输次数m＝2。
如图4所示，图4展示了在AWGN信道条件下本发明提出的方案和ICS、DCS方案的载体信号BER性能结果，从仿真的BER曲线结果来看，本文提出方案的载体信号BER性能优于ICS的方案，与DCS方案的性能持平，并且在AWGN信道下的仿真结果与理论分析一致。
对于水印信号部分，由水印信号理论BER表达式可知，水印信号的BER受密钥p的长度2l影响。令
Figure BDA00030278146400001012
表示水印序列的扩频比，也就是水印序列中摘要信息的码率。仿真中设置了不同取值的η进行实验，展现了η的取值对于水印信号的BER性能的影响。
图5分别展示了在AWGN信道条件下本方案和ICS，DCS方案的水印信号BER性能结果。对于不同方案的水印BER曲线，本方案的BER性能均优于ICS方案和DCS方案；对于本方案中的BER曲线，η的取值越小，水印BER性能越好，并且η的取值每减小
Figure BDA0003027814640000111
BER性能就提升3dB，这样与理论分析的BER性能表达式也是吻合的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，其特征在于，包括发射端调制过程和接收端解调过程，其特征在于，
所述发射端调制过程包括以下步骤：
A1：利用哈希函数生成载体信号的数字摘要；
A2：用轻量加密算法加密数字摘要，并利用密钥作为扩频码扩频加密后的数字摘要，生成水印信号；
A3：通过调制和差分星座图移位往载体信号中嵌入水印信号再进行发送；
所述接收端解调过程包括以下步骤：
B1：接收含有水印信号的复合信号之后解调出载体信号和水印信号；
B2：对恢复出的水印信号进行解调和解密操作，得到解密的第一数字摘要估计；
B3：对恢复出的载体信号进行解调，得到载体信号比特的估计，再做哈希运算得到第二数字摘要估计；
B4：比较第一数字摘要估计、第二数字摘要估计的异同对发送身份的合法性和发送信息的完整性进行判断，若两份摘要估计相同，则发送信息完整未受到篡改；否则，则认为发送端非法，丢弃接收到的信息；
在所述步骤A1中，令bx表示用户数据比特序列，其是需要携带水印信息的载体信号；使用哈希函数对用户数据比特序列bx做哈希运算生成用户数据比特序列的数字摘要，具体表示为：
bg＝g(bx)
其中，g(·)表示哈希算法；bg表示用户数据比特序列bx的数字摘要；
在所述步骤A2中对bg进行一次轻量加密；具体过程为：
若p表示加密解密的密钥，长度为2l，fk(x)表示二进制加法运算，则表达式为
Figure FDA0003546316220000011
其中，k，x表示长度为n的序列，即k＝[k1，k2，...，kn]，x＝[x1，x2，...，xn]，
Figure FDA0003546316220000012
表示模二加法，则加密过程表示为：
Encryption：be＝Ep(bg)＝fg(p)(bg)
其中g(p)表示对p做哈希运算的输出结果；至此，得到加密后的数字摘要be。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，其特征在于，在所述步骤A2中，利用密钥作为扩频码扩频加密后的数字摘要be生成水印信号bw过程具体为：
先将单极性二进制比特序列p、be转化为双极性二进制序列q、bd，其中序列中的元素p，be∈{0，1}，q，bd∈{-1，+1}；则序列扩频的过程表示为：
Figure FDA0003546316220000021
其中
Figure FDA0003546316220000022
表示克罗内克积，bj为加密后的数字摘要be扩频之后的序列；再将bj转化为单极性二进制比特bw，得到嵌入的水印序列。
3.根据权利要求2所述的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，其特征在于，在所述步骤A3中，载体信号bx和隐藏有载体摘要信号的水印信号bw均采用QPSK调制，得到载体符号向量x和水印符号向量w，长度为l，即
Figure FDA0003546316220000023
调制之后，载体符号向量x和水印符号向量w重复m次，分别构建调制符号矩阵X和W，即X和W的每一列都是x和w，
Figure FDA0003546316220000024
然后利用差分星座图移位的方法将水印符号矩阵嵌入载体符号矩阵之中，令嵌入了水印的信息符号矩阵为S，则得到：
Figure FDA0003546316220000025
其中sr，c，xr，c，wr，c分别表示矩阵S，X，W的第r行，第c列位置上的元素；
Figure FDA0003546316220000026
α是水印符号能量占嵌入水印符号总能量的比值，表示嵌入强度，其中α＜0.5；
最后，嵌入了水印的信息符号S在经过逆快速傅里叶变换和添加循环前缀后，发送端将其映射到相应的无线帧中发送出去。
4.根据权利要求3所述的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，其特征在于，在所述步骤B1中，当接收端接收含有水印信号的复合信号后，先去除循环前缀，然后进行快速傅里叶变换得到信息符号矩阵Y；若发送过程中的无线信道的频域响应矩阵为H，用列向量表示为H＝[h1，h2，...，hm]，则Y表示为：
Y＝H·S+N
其中·表示参与运算的两个矩阵按位相乘，N表示经过了无线信道之后信号附加上的高斯白噪声矩阵，
Figure FDA0003546316220000031
矩阵中的元素服从均值为0，方差为2σ2的复高斯分布，即
Figure FDA0003546316220000032
之后，再对Y做频域均衡得到S矩阵的估计
Figure FDA0003546316220000033
假设获得了理想的信道估计，则
Figure FDA0003546316220000034
表示为
Figure FDA0003546316220000035
其中/表示矩阵按位除法；接着，进行差分水印提取，合并重复传输的符号，提取载体信号和水印信号的估计，分别表示为
Figure FDA0003546316220000036
和
Figure FDA0003546316220000037
差分水印提取和合并重复符号的过程表示为：
Figure FDA0003546316220000038
其中
Figure FDA0003546316220000039
表示矩阵
Figure FDA00035463162200000310
第i列的列向量，k＝1，2，...，m/2。
5.根据权利要求4所述的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，其特征在于，在所述步骤B2中，对恢复出的水印信号
Figure FDA00035463162200000311
进行联合QPSK解调得到加密摘要信息的估计
Figure FDA00035463162200000312
然后再进行解密得到第一数字摘要估计
Figure FDA00035463162200000313
具体过程为：
联合QPSK解调：密钥p先做单双极性转换由单极性二进制比特序列转换为双极性二进制序列q，然后再做串并转换输出两列序列分别与恢复出来的水印信号的实部和虚部相乘，再求和，具体表示为：
Figure FDA00035463162200000314
其中，
Figure FDA00035463162200000315
表示
Figure FDA00035463162200000316
中的第i个元素；函数Re(·)表示取实部；函数Im(·)表示取虚部；之后对求和的结果做最大似然判决，若求和的结果大于0，则提取的一比特
Figure FDA00035463162200000317
反之，若求和的结果小于0，则
Figure FDA00035463162200000318
联合QPSK解调得到
Figure FDA00035463162200000319
之后，对其进行解密得到第一数字摘要估计
Figure FDA00035463162200000320
解密的过程表示为：
Figure FDA00035463162200000321
其中，f-1表示f的逆运算；又因为f为模二加法运算，所以f的逆运算f-1只需要对密文
Figure FDA0003546316220000041
再模二加一次序列g(p)，即
Figure FDA0003546316220000042
6.根据权利要求5所述的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，其特征在于，在所述步骤B3中，对恢复出的载体信号
Figure FDA0003546316220000043
做QPSK解调得到载体信息比特的估计
Figure FDA0003546316220000044
再对
Figure FDA0003546316220000045
做哈希运算得到第二数字摘要估计
Figure FDA0003546316220000046
7.根据权利要求6所述的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法，其特征在于，所述载体信号理论BER推导为：
Figure FDA0003546316220000047
其中，Px表示载体比特的错误概率，γ表示信噪比SNR，m表示重复次数，α表示水印嵌入强度，表示水印符号能量占嵌入水印符号总能量的比值；而水印信号的理论BER为：
Figure FDA0003546316220000048
其中，Pw表示水印比特的错误概率，函数Q(x)为标准正态分布的右尾函数，l为密钥p长度2l的一半。
8.一种应用如权利要求1～7任一项所述的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权方法的一种高可靠性的射频隐蔽水印信号鉴权系统，其特征在于，包括发射端和接收端；其中：
所述发射端执行如步骤A1-步骤A3所述的调制过程；
所述接收端执行如步骤B1-步骤B4所述的解调过程。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105072618A (zh) * 2015-07-17 2015-11-18 湖南科技大学 无线传感器网络中基于校验码的数据可靠性保护方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BRPI0909423A8 (pt) * 2008-03-04 2016-09-27 Tp Vision Holding Bv Método para identificar transmissores, transmissor, sistema de transmissão, receptor, e , rede de frequência única
CN110909321B (zh) * 2019-11-04 2023-05-26 南京理工大学 面向4g通信的物理层数字水印方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105072618A (zh) * 2015-07-17 2015-11-18 湖南科技大学 无线传感器网络中基于校验码的数据可靠性保护方法

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